復合筒型基礎(chǔ)臨界負壓試驗分析

丁紅巖 ，許云龍，張浦陽 ，樂叢歡

(1. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；2. 天津大學建筑工程學院，天津 300350)

筒型基礎(chǔ)是一種頂端封閉、下部開口的結(jié)構(gòu)，像倒扣在土中的桶．其安裝快捷[1-2]、受力性能良好[3]，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟效益[4-5]，能實現(xiàn)零殘余回收利用，是一種環(huán)境友好型基礎(chǔ)[6]，應用前景廣闊．

負壓沉貫是筒型基礎(chǔ)安裝過程中的重要一環(huán)，負壓的施加決定安裝的成敗，負壓過小無法下沉，過大會超過臨界負壓引起滲透破壞，造成安裝失?。〖t巖等[7-8]、國振等[9-10]、李大勇等[11-13]在粉質(zhì)黏土、砂土中研究了筒型基礎(chǔ)吸力沉貫階段克服沉貫阻力需要提供的負壓和下沉深度之間的關(guān)系．Feld[14]基于SEEP軟件，結(jié)合CPT方法，提出了考慮吸力引起的有效應力退化影響的吸力公式．Houlsby等[15]在砂土中進行了沉箱結(jié)構(gòu)的沉貫，給出了砂土中滲流力的計算公式．Tran等[16]研究發(fā)現(xiàn)，土體內(nèi)外滲透系數(shù)之比由1變化到3，臨界吸力提升較多．Senders等[17]基于模型試驗研究得到砂土中筒內(nèi)土塞臨界水力梯度靠近筒壁內(nèi)側(cè)．Harireche等[18]研究得到管涌在沉放中對貫入剪力破壞機理起主導作用．Panagoulias[19]研究發(fā)現(xiàn)土體內(nèi)外滲透系數(shù)之比為2～3時，F(xiàn)eld公式、Houlsby&Byrne公式、Senders&Randolph計算筒型基礎(chǔ)的臨界負壓接近實際，并對砂土中的臨界水力梯度進行了定義．

復合筒型基礎(chǔ)[20]是在筒型基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上提出的，其內(nèi)部由分艙板分為7個艙，蜂窩狀的結(jié)構(gòu)[21]使基礎(chǔ)具有良好的拖航穩(wěn)性[22]，安裝更快捷，在位后承載性能好，然而分艙板使得沙土中復合筒型基礎(chǔ)的滲流更加復雜．張浦陽等[23]和丁紅巖等[24]用ADINA研究了砂土中復合筒型基礎(chǔ)沉貫與調(diào)平階段的滲流，推導了臨界吸力公式．

如上所述，前人做了大量與筒型基礎(chǔ)沉貫負壓和臨界負壓有關(guān)的研究，針對復合筒型基礎(chǔ)的臨界負壓主要通過數(shù)值模擬展開探討，少有通過試驗開展研究．復合筒型基礎(chǔ)相當于是由6個環(huán)筒并聯(lián)在一起，其臨界負壓的計算更加復雜．因此筆者開展了室內(nèi)大比尺模型試驗，研究復合筒型基礎(chǔ)在砂土中不同沉放深度處的臨界負壓，為復合筒型基礎(chǔ)的沉貫提供依據(jù)．

1 試驗方案

本次試驗用土成分主要是砂土，內(nèi)部含有少量淤泥質(zhì)黏土．試驗是在寬2m、高2m的土槽中進行，土槽由鋼板焊接而成，內(nèi)部從下到上依次是石子、土工布、砂土．試驗中土體的養(yǎng)護按照以下流程：第1步，通過箱體底部管路排出土體中的水，開挖沙土；第2步，逐層回填，每層沙土的厚度為5cm，每放置一層沙土，從模型箱底部3個入水口緩慢注水，以不發(fā)生滲透破壞為控制條件，逐漸排出砂土中的氣體，待排水固結(jié)后加入下一層沙土，至沙土高度為0.8m時停止；第3步，底部加水至水面超過沙面2cm后，從模型箱頂部注水，下部排水口排水，排水固結(jié)8h；第4步，頂部加水到試驗所需水位．試驗所用土體飽和密度為2200kg/m3，壓縮模量為28.6MPa，土的孔隙比、密實度、飽和度等參數(shù)見表1，取樣方法為在距土面0.2、0.4、0.6、0.8m的4個高度上取樣，每個高度在箱子中心和側(cè)壁分別取樣，土質(zhì)參數(shù)取所有測點的平均值．土的粒徑級配曲線見圖1．

圖1 試驗砂土粒徑級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of test sand

表1 試驗用土的土質(zhì)參數(shù)Tab.1 Soil Parameters of experimental soil

本次試驗中所用的模型為復合筒型基礎(chǔ)，主要由鋼筒和弧形過渡段組成，其原型為江蘇某海域6.45MW復合筒型基礎(chǔ)，模型如圖2所示．模型筒型基礎(chǔ)的直徑1m，高0.28m，分艙板和筒壁為不銹鋼，厚1.5mm，分艙板將基礎(chǔ)分為7個艙，各艙分布如圖2所示．頂蓋為有機玻璃，厚0.01m，分艙板和頂蓋板用螺栓固定在一起．

圖2 復合筒型基礎(chǔ)Fig.2 Composite bucket foundation

試驗用到的設(shè)備有智能真空泵、水汽轉(zhuǎn)換筒、穩(wěn)壓電源、威墾德3840動態(tài)采集儀等．試驗裝置如圖3所示，筒型基礎(chǔ)7個艙的抽水管路直接連到水汽轉(zhuǎn)換筒上，每個抽水管路上設(shè)置有球閥，對各艙單獨控制，保證沉放效果，循環(huán)加水裝置連接土槽，實時控制水位．弧形過渡段頂端安裝有傾角儀和拉線式位移傳感器，監(jiān)測沉放過程中的位移和傾角，每個艙上部連接兩條管路，一條用于抽水，一條連接氣壓計.

圖3 加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental loading

本試驗主要是研究復合筒型基礎(chǔ)的臨界負壓，試驗流程如下：首先進行自重沉貫，待筒內(nèi)形成密封空間、初始入泥深度穩(wěn)定以后，打開智能真空泵抽吸負壓，真空飽和缸內(nèi)部壓強降低，筒型基礎(chǔ)在壓強差的作用下抽水下沉．沉貫中控制傾角小于0.15°；沉貫到設(shè)計深度12cm后，調(diào)節(jié)基礎(chǔ)的傾角，使傾角在0.05°以內(nèi)，限制筒型基礎(chǔ)的豎向位移，分別對筒型基礎(chǔ)的1艙、3艙、5艙3個邊艙抽負壓，以理論計算的上臨界負壓為初始值，以0.5kPa為等級進行加壓，直到土體發(fā)生滲透破壞；打氣將復合筒型基礎(chǔ)頂升到泥面，將土槽內(nèi)水放出，重復制土過程．分別將基礎(chǔ)沉貫到20cm和28cm重復以上試驗過程．

2 理論計算

筒型基礎(chǔ)的沉貫過程主要分為自重下沉和吸力下沉兩個階段．吸力下沉階段筒型基礎(chǔ)筒頂蓋上下的壓強差提供驅(qū)動力，吸力太小時無法克服筒型基礎(chǔ)沉放過程的側(cè)摩阻力、端阻力、浮力等，吸力過大時，筒內(nèi)外的總水頭差變大，在某一高度處，滲徑近似不變，總水頭變大，水力梯度變大，超過臨界水力梯度時就會發(fā)生滲透破壞[8]．沉放過程中需要的最小負壓稱為下臨界負壓，發(fā)生滲透破壞時最小的負壓稱為上臨界負壓．在上、下臨界負壓之間，筒型基礎(chǔ)可以順利下沉[12]，負壓的大小也決定了沉放的快慢，一般上臨界負壓簡稱為臨界負壓．吸力會改變土體中的水力梯度，超過臨界水力梯度會發(fā)生滲透破壞，筒型基礎(chǔ)沉貫過程中筒體端部的水力梯度最大，由于筒端土體的約束，不易發(fā)生滲透破壞，滲透破壞的位置在筒體內(nèi)壁和土的交界位置處，大量的試驗也表明水力出口處最容易出現(xiàn)滲透破壞[25-26]．目前臨界吸力計算公式有Feld公式、Houlsby&Byrne(HB)公式、Senders&Randolph(SR)公式和Ibsen&Thilsted(IT)公式，具體如下．

1) Feld公式

Feld[14]運用有限元軟件SEEP，提出了筒型基礎(chǔ)臨界吸力公式：

2) Houlsby&Byrne公式

Houlsby和Byrne[15]在Junaideen的基礎(chǔ)上，考慮筒型基礎(chǔ)內(nèi)外滲透系數(shù)的不同，提出了計算公式：

3) Senders&Randolph公式

Senders和Randolph[17]基于PLAXIS軟件，考慮負壓對筒內(nèi)部側(cè)摩阻力和端阻力的影響，得到計算公式：

4) Ibsen&Thilsted公式

Ibsen和Thilsted[27]在SR模型的基礎(chǔ)上，運用FLAC3D程序，提出了砂土中筒型基礎(chǔ)的臨界吸力公式：

Feld公式、HB公式、SR公式、IT公式中都假設(shè)筒內(nèi)部土的滲透系數(shù)是均勻的．HB模型考慮吸力引起的筒壁內(nèi)端阻力和摩阻力的變化是線性的，而SR模型假設(shè)是非線性的．

本次試驗開展前運用Feld公式、HB公式、SR公式、IT公式對復合筒型基礎(chǔ)模型在沉貫深度為12cm、16cm、20cm、24cm、28cm的上臨界負壓值進行了預估，見表2，可以發(fā)現(xiàn)同一深度處不同的臨界負壓公式計算出的臨界負壓值差異很大．

表2 筒型基礎(chǔ)不同深度處上臨界負壓Tab.2 Upper critical suction at different depths of bucket foundation

3 試驗結(jié)果分析

3.1 臨界負壓試驗結(jié)果

3.1.1 沉貫深度為12cm

首先將復合筒型基礎(chǔ)抽水沉放12cm，調(diào)整x、y方向的傾角在0.05°以內(nèi)，給筒型基礎(chǔ)施加一個豎向約束，保證筒型基礎(chǔ)不會繼續(xù)下沉，分別對1艙、5艙抽負壓，通過氣壓計測量壓強，試驗編號為C12-1、C12-5．C12-1中“12”代表沉貫深度為12cm，“1”代表1艙，依此類推．由表2知，復合筒型基礎(chǔ)沉貫深度為12cm時，臨界負壓在2.5kPa以上，故C12-1和C12-5分別以2.5kPa、3.5kPa作為初始負壓，并以0.5kPa為等級逐漸增加，試驗過程中由真空泵施加負壓，真空泵內(nèi)負壓隨時間的施加準則稱為加載制度，如圖4所示．

圖4 負壓加載制度(沉貫深度為12cm)Fig.4 Loading system of negative pressure(sinking depth is 12cm)

筒型基礎(chǔ)沉貫深度為12cm時，測量得到1艙、5艙滲透破壞時的負壓分別為4867Pa、5295Pa，如圖5所示，滲透破壞壓強為5000Pa．發(fā)生滲透破壞時，筒內(nèi)負壓瞬間降低，筒體外側(cè)出現(xiàn)裂縫，進而出現(xiàn)下凹，凹陷的區(qū)域短時間內(nèi)迅速擴大，艙內(nèi)水位迅速上升，如圖6所示．

圖5 復合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強變化曲線(沉貫深度為12cm)Fig.5 Internal pressure variation curve of composite bucket foundation(sinking depth is 12cm)

圖6 復合筒型基礎(chǔ)滲透破壞現(xiàn)象(沉貫深度為12cm)Fig.6 Seepage failure phenomenon of composite bucket foundation(sinking depth is 12cm)

3.1.2 沉貫深度為20cm

將復合筒型基礎(chǔ)負壓沉放到20cm后，調(diào)整x、y兩方向的傾角在0.05°以內(nèi)，給復合筒型基礎(chǔ)施加豎向力，保證筒型基礎(chǔ)不會繼續(xù)下沉，分別對1艙、5艙抽負壓，通過氣壓計測量壓強，試驗編號為C20-1、C20-5．C20-1中“20”代表沉貫深度為20cm，“1”代表1艙，依此類推．由表2可以看出復合筒型基礎(chǔ)沉放20cm時的臨界負壓在4kPa以上，考慮到傳遞效率以及12cm深處的臨界負壓值，C20-1、C20-5以6kPa作為加載的起點，打開真空飽和缸，待負壓穩(wěn)定以后，打開閥門，觀察艙內(nèi)負壓變化，待艙內(nèi)負壓穩(wěn)定以后，關(guān)閉閥門，以0.5kPa為加載等級進行試驗，負壓加載制度見圖7．

圖7 負壓加載制度(沉貫深度為20cm)Fig.7 Loading system of negative pressure(sinking depth is 20cm)

1艙、5艙發(fā)生滲透破壞時的臨界負壓如圖8所示，分別是8671Pa、8739Pa，不同艙之間的臨界負壓差值很小．復合筒型基礎(chǔ)沉貫深度為20cm時的臨界負壓值為8700Pa，發(fā)生滲透破壞的瞬間，艙內(nèi)壓強瞬間降低，水位迅速上升至筒頂蓋，筒外壁和土之間出現(xiàn)細微的裂縫，土體表面顆粒變粗，見圖9．

圖8 復合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強變化曲線(沉貫深度為20cm)Fig.8 Internal pressure variation curve of composite bucket foundation(sinking depth is 20cm)

圖9 復合筒型基礎(chǔ)滲透破壞現(xiàn)象(沉貫深度為20cm)Fig.9 Seepage failure phenomenon of composite bucket foundation(sinking depth is 20cm)

3.1.3 沉貫深度為28cm

將復合筒型基礎(chǔ)負壓沉貫到28cm后，保證x、y兩方向的傾角在0.05°以內(nèi)，給復合筒型基礎(chǔ)施加豎向力，保證筒型基礎(chǔ)不會繼續(xù)下沉，分別對1艙、5艙抽負壓，試驗編號為C28-1、C28-5．C28-1中“28”代表沉貫深度為28cm，“1”代表1艙，依此類推．由表2可知，筒型基礎(chǔ)沉貫深度為28cm時的臨界負壓為6kPa以上，C28-1和C8-5分別從6kPa、7kPa開始加載，以0.5kPa為增量加載，結(jié)果見圖10．由圖11可知1艙和5艙滲透破壞時的臨界負壓分別為11933Pa、12077Pa. 復合筒型基礎(chǔ)發(fā)生滲透破壞的瞬間，筒內(nèi)水位迅速上漲，筒外一定范圍有微裂縫產(chǎn)生，如圖12所示．

圖10 負壓加載制度(沉貫深度為28m)Fig.10 Loading system of negative pressure(sinking depth is 28cm)

圖11 復合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強變化曲線(沉貫深度為28cm)Fig.11 Internal pressure variation curve of composite bucket foundation(sinking depth is 28cm)

圖12 復合筒型基礎(chǔ)滲透破壞現(xiàn)象(沉貫深度為28cm)Fig.12 Seepage failure phenomenon of composite bucket foundation(sinking depth is 28cm)

3.2 對比分析

針對筒型基礎(chǔ)臨界負壓，學者利用SEEP、FLAC3D等有限元軟件進行分析，得到了臨界負壓的理論計算公式，但是針對帶分艙板的筒型基礎(chǔ)的臨界負壓的理論公式較少，采用試驗方法來研究的更少．本章在砂土中用試驗手段分別研究了筒型基礎(chǔ)沉貫深度為12cm、20cm、28cm的上臨界負壓，即h/D為0.12、0.20、0.28時的上臨界負壓．通過試驗發(fā)現(xiàn)，筒型基礎(chǔ)沉貫中的臨界負壓大于理論值，即h/D為0.12、0.20、0.28的臨界負壓分別為5kPa、8.7kPa、12kPa，Koteras[28]在單筒沉貫試驗中也發(fā)現(xiàn)超過吸力極限值未發(fā)生管涌破壞的現(xiàn)象．

為研究加載等級對臨界負壓的影響，對沉貫深度為20cm時筒型基礎(chǔ)的臨界負壓進一步研究．將筒型基礎(chǔ)沉貫到深度為20cm，調(diào)節(jié)傾角在0.05°以內(nèi)，同時對7個艙抽負壓，從6.5kPa開始加載，加載等級2kPa，結(jié)果見圖13，筒型基礎(chǔ)發(fā)生滲透破壞時臨界負壓值為8.9kPa，對比圖8可知，加載速率對最大臨界負壓的影響較?。?/p>

圖13 沉貫深度為20cm的復合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強Fig.13 Internal pressure of composite bucket foundation with penetration depth of 20cm

為進一步探究單艙抽負壓和7個艙同時抽負壓對臨界負壓值的影響，將筒型基礎(chǔ)沉貫到16cm，對7個艙同時施加負壓，從6.5kPa開始，以0.5kPa為加載等級，結(jié)果見圖14．筒型基礎(chǔ)4艙首先發(fā)生滲透破壞，滲透破壞時的臨界負壓為6.7kPa，發(fā)生滲透破壞后停止施加負壓，各艙負壓如圖15所示，滲透破壞時1、3、4艙壓差別不大，2艙負壓小于其他艙是因為負壓在管路上有所損失，負壓傳遞效率不一致．

圖14 負壓加載制度Fig.14 Loading system of negative pressure

圖15 復合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強變化曲線Fig.15 Internal pressure variation curve of composite bucket foundation

筒型基礎(chǔ)沉貫深度為12cm、16cm、20cm、28cm時的臨界負壓值分別為5kPa、6.7kPa、8.7kPa、12kPa，將試驗所得結(jié)果無量綱化，S/γ′D分別為0.42、0.56、0.73、0.96，與理論公式進行對比，對比結(jié)果見圖16，可以看出，筒型基礎(chǔ)臨界負壓值在深度較小時，接近SR公式，隨著深度的增加，筒型基礎(chǔ)的臨界負壓值不斷增加，超過SR公式的臨界負壓值也不會發(fā)生滲透破壞．h/D為0.12、0.20、0.24、0.28時，筒型基礎(chǔ)的臨界負壓值分別是Feld公式的1.55倍、1.67倍、1.85倍、1.89倍．采用理論公式計算得到的上臨界負壓值偏保守，安全儲備較多．試驗中得到的上臨界負壓值大于理論公式的原因主要是理論公

圖16 臨界負壓值對比Fig.16 Comparison of critical suction

式中沒有考慮施加吸力后筒內(nèi)發(fā)生向上的滲流造成的土體密實度發(fā)生改變，Senders和Randolph[17]開展筒型基礎(chǔ)沙土中沉貫試驗，基于CPT測試沉貫前后筒內(nèi)土體也發(fā)現(xiàn)土體變松，不同深度處的水力梯度不一樣，土體滲透系數(shù)沿深度發(fā)生變化；Koteras[28]在單筒負壓沉貫試驗中發(fā)現(xiàn)吸力安裝后筒內(nèi)土塞的相對密實度顯著降低．從Feld公式可以看出，筒型基礎(chǔ)沉貫過程中的臨界負壓主要與土體有效重度γ′、基礎(chǔ)直徑D、貫入深度和直徑的比值h/D有關(guān)，根據(jù)試驗結(jié)果可以得到公式(5)，因加載速率不影響最大臨界負壓，公式中未考慮加載速率的影響．

4 結(jié) 論

本文基于理論分析和室內(nèi)模型試驗對復合筒型基礎(chǔ)的上臨界負壓做了研究，進行了沉貫深度為12cm、20cm、28cm的模型試驗，通過無量綱化分析，得到臨界吸力隨深度的變化規(guī)律，并在16cm、20cm處進行了試驗驗證，得到以下結(jié)論．

(1) 在砂土中，復合筒型基礎(chǔ)h/D為0.12、0.16、0.20、0.24時的臨界負壓分別是5kPa、6.7kPa、8.7kPa、12kPa，臨界負壓值比Feld公式、SR公式、HB公式、IT公式計算的值都大，是Feld公式的1.55倍、1.67倍、1.85倍、1.89倍，安全系數(shù)很大，SR臨界負壓的計算公式能夠用于指導復合筒型基礎(chǔ)的施工.

(2) 加載等級的大小對復合筒型基礎(chǔ)同一深度處臨界負壓的影響較小，分別對復合筒型基礎(chǔ)的單艙施加吸力與7個艙同時施加吸力對同一深度處臨界吸力影響較?。?/p>

(3) 復合筒型基礎(chǔ)相當于是6個筒并聯(lián)在一起，邊艙和中艙之間相互作用，本文通過試驗提出了臨界吸力公式，能為復合筒型基礎(chǔ)模型試驗臨界負壓的預測提供依據(jù)．